[发明专利]一种造渣精炼工业硅熔体除硼的精炼剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种去除工业硅熔体中硼杂质的精炼剂，属于冶金法提纯工业硅的技术领域。

背景技术

由于能源危机和传统能源对环境的污染，多晶硅太阳能电池成为全球关注的热点。目前，千吨级多晶硅生产主要还是采用改良西门子法，关键技术仍被美国、德国、日本和挪威等少数发达国家掌握，形成技术封锁和市场垄断。要解决我国太阳能电池及其材料主要依赖进口的局面，让太阳能电池进入普通人的生产生活中，必须探索太阳能级硅生产的新方法和新途径。

冶金法制备太阳能级多晶硅是指以冶金级硅（纯度98.5～99.5％）为原料直接经过冶金提纯制得纯度在99.9999％以上用于生产太阳能电池的多晶硅原料的方法。冶金法最早是由川崎制铁（Kawasaki Steel Corp.）于1996年起，在NEDO的支持下开发的由工业硅生产太阳能级硅的方法，主要包括：吹气精炼法、电子束熔炼法等离子束熔炼法、定向凝固、造渣法、真空熔炼法、高温熔盐电解法、高纯原料碳热还原法等方法。相对于改良西门子法等化学途径而言，冶金法具有重要的意义，因为光伏工业的高速增长是与可更新和清洁的能量产生方式直接相关联的，由于冶金法投资少，建设周期短，生产能耗低，被认为是最直接和最经济的方法。

由于某些杂质元素的特殊物理性质，某些冶金法的提纯效果很差。如硼元素，表明杂质元素硼有着相对较大的分离系数，为0.9，远高于金属杂质，即使是经过两次定向凝固过程，硼元素的纯度仍然达不到太阳能级硅的要求；而且1823K时，硼的饱和蒸汽压为6.78×10^-7Pa，远远小于此时硅的蒸汽压0.40Pa，因此真空熔炼的方法也无法有效去除硼。而杂质硼元素留在材料中易形成缺陷，缺陷复合少数载流子，会降低电池转换效率。电子束和等离子束熔炼法可以有效地去除硅中的硼元素，但是由于精炼设备的昂贵和精炼过程中的过高能耗，决定了电子束熔炼法和等离子束熔炼法在工业化生产上的局限性。因此，探索各种去除硼的有效途径已成为冶金法提纯多晶硅的主要研究热点之一。

日本名古屋大学M. Tanahashi在论文“Distribution behavior of boron between SiO₂-saturated NaO_0.5-CaO-SiO₂ flux-molten silicon”(J. Min. Mater. Process Ins. Jpn., 2002, 118: 497-505)中计算得碱性氧化物Na₂O的添加可以将B在渣与硅中的分配系数提高至3.5。基于此，厦门大学蔡靖在论文“高纯冶金硅除硼的研究进展”（材料导报，2009，12 (23)：81-84）中将55%CaO-30%SiO₂-15%Na₂O渣预熔，按一定的时间间隔加入至杂质硼含量为10ppm的熔融冶金级硅中，在1973K下以18L/min流速向熔体中通入99.5%Ar+0.5%H₂O，造渣吹气精炼90min可将冶金级硅中的硼含量降至0.23ppm。日本东京大学的L.A.V. Teixeira等人在论文“Removal of Boron from Molten Silicon Using CaO-SiO₂ Based Slags”(ISIJ Int., 2009, 49: 783-787)中分别研究了CaO-SiO₂-0%Na₂O，CaO-SiO₂-7%Na₂O和CaO-SiO₂-10%Na₂O三种不同渣系的除硼效果，实验结果表明，向CaO-SiO₂二元渣系添加Na₂O可明显增大L_B，而且L_B是随着Na₂O含量的增大而增大的。

发明内容

本发明的目的在于实现工业硅熔体中的杂质硼在造渣精炼过程中得到高效的去除，提供一种Li₂O系工业硅熔体造渣除硼精炼剂，通过下列技术方案实现。

一种造渣精炼工业硅熔体除硼的精炼剂，包括质量百分比的下列组分：Li₂O为1～99%、SiO₂为1～99%、碱性氧化物为0～98%。